A1 – Chronologie du train d’atterrissage et de l’aviation
(Terminologie adoptée et généralités sur les atterrisseurs)
– Train d’atterrissage : ensemble des composants participant à la fonction atterrissage, roulage, orientation, freinage, décollage de l’avion. Se compose des atterrisseurs auxiliaire(s) et principaux. S’y rattachent également les éléments hydrauliques nécessaires, pompes, électropompes, distributeurs, composants de circuits hydrauliques…
– Atterrisseur auxiliaire : Ensemble composé de la jambe avec amortisseur, du contreventement principal et secondaire, des roues, pneus, vérins de manoeuvre (relevage), vérins d’orientation, boîtier d’accrochage train haut.
Est situé à l’avant de l’avion et supporte en général 10% du poids de l’avion dans le cas d’un train tricycle.
Sur les premiers avions, munis d’un train « classique », l’atterrisseur auxiliaire était situé à l’arrière, on parlait alors de roulette de queue.
– Atterrisseur principal : Ensemble composé en général des atterrisseurs principaux gauche et droit.
Chaque atterrisseur principal comprend une jambe avec amortisseur, un contreventement principal et secondaire, des roues, freins, pneus, un contrôleur de freinage, un vérin de manoeuvre (relevage), un boîtier d’accrochage train haut.
Est situé légèrement en arrière du centre de gravité de l’avion dans le cas d’un train tricycle et reprend environ 90% du poids de l’avion.
– On distingue plusieurs configurations de train d’atterrissage :
– le train d’atterrissage bicycle ou monotrace : composé d’un atterrisseur principal avant, d’un atterrisseur principal arrière et de deux balancines de voilure pour assurer la stabilité au roulage. (type AV-8B Harrier)
– Le train d’atterrissage tricycle dit “classique” : composé d’un atterrisseur principal avant gauche et un atterrisseur principal avant droit et d’une roulette de queue. C’est la disposition adoptée pour les premiers avions (légers) et pour l’aviation générale. L’atterrissage est un peu plus délicat, risque de « cheval de bois », avion planté sur le nez.
– Le train d’atterrissage tricycle : composé d’un atterrisseur auxiliaire avant et de deux atterrisseurs principaux gauche et droit. C’est la disposition adoptée sur tous les avions récents. (type Airbus A320)
– Le train d’atterrissage quadricycle : composé de deux atterrisseurs avant gauche et droit, de deux atterrisseurs principaux gauche et droit, et de deux balancines en bout d’aile. Cette disposition est très rare sur les avions (Boeing B-52), plus courante sur les hélicoptères lourds (type CH-47 Chinook).
– Le train d’atterrissage multiple : composé d’un ou de deux atterrisseurs auxiliaires avant, et d’au moins trois atterrisseurs principaux : un central et deux latéraux (DC-10, Airbus A-340), ou de quatre atterrisseurs principaux, deux de fuselage et deux de voilure (Boeing 747, Airbus A-380).
Dans certains cas il peut y avoir en plus un patin de queue ou une roulette de queue avec ou non un amortisseur, qui évite lors du décollage très cabré, que la queue de l’avion ne racle la piste. (Concorde …)
Les jambes d’atterrisseurs principaux peuvent être multiples, par exemple 5 sur l’Antonov 124 et 7 sur l’Antonov 225.
– En fonction des charges à supporter, à répartir au sol et selon la résistance des pistes, les atterrisseurs peuvent posséder une ou plusieurs roues :
2 roues = « diabolo », ou
2 roues « jumelées » si elles sont solidaires en rotation,
3 roues côte à côte, très rare, car accessibilité de la roue centrale difficile (type SR-71),
4 roues = « bogie » classique, cas général des gros avions civils, (Type Airbus A330)
ou 4 roues côte à côte, 2 de chaque coté du même essieu, (type IL-76)
5 roues = bogie de 3 roues plus 2 roues, (type C-5A)
6 roues = bogie de 3 fois 2 roues en tandem, (type Boeing 777)
8 roues = double bogie (rare), (IL-76, TU-144)
ou plus (très rare : AN-124 ou AN-225, plusieurs jambes en tandem de 2 roues ).
– La vitesse verticale de « chute » d’un avion civil à l’atterrissage est en moyenne de 0,3 m/sec, l’atterrisseur est calculé pour une vitesse de descente de 3,05 m/sec (calcul de résistance des matériaux en limite élastique, ce qui donne un coefficient de 100, la vitesse intervenant au carré).
La vitesse verticale de chute d’un avion embarqué, comme le Rafale Marin, sur porte-avions peut atteindre jusqu’à 12 m/sec ! (vitesse extrême). Le dimensionnement de l’amortisseur est alors prédominant.
– L’amortisseur : la pression de l’amortisseur sous charge statique est d’environ 150 bars pour un atterrisseur principal, et peut atteindre plus de 1 000 bars dans les cas d’atterrissages « durs ». En général, c’est ce critère qui dimensionne le diamètre de l’amortisseur, dans le cas des amortisseurs indépendants. Pour les amortisseurs directs, c’est la résistance de la tige coulissante et du caisson lors de « mise en rotation » et du « retour élastique » qui sont déterminants (et quelquefois les cas de virage ou de pivotement sur place).
Pour éviter l’effet « diesel » (auto-allumage de l’air, provoquant des brûlures des cylindres d’amortisseurs), les amortisseurs sont également gonflés à l’azote sec et non à l’air comprimé.
La course de l’amortisseur au niveau de la roue est en général de 300 mm, variable en fonction de l’énergie à absorber, et de la nature du terrain d’atterrissage. Elle peut varier de 200 mm à plus de 500 mm.
Pour les avions évoluant sur des terrains non préparés ou semi-préparés, on préfère adopter des atterrisseurs à balancier, avec amortisseur indépendant, qui « avalent » mieux les irrégularités du terrain, bosses et creux (type 2 CV !).
Pour les avions civils évoluant sur piste béton, la solution à amortisseur « direct », avec l’amortisseur intégré dans la tige coulissante et le caisson de la jambe est préférée car plus légère (moins d’articulations).
A signaler que les avions russes, qui évoluent sur des pistes plus sommaires, possèdent souvent un amortissement dit « semi-direct », un balancier attaque, par l’intermédiaire d’une bielle, l’amortisseur intégré dans la jambe.
– Jambes :
La position des jambes principales est déterminée par la position moyenne du centre de gravité de l’avion, en effet, l’avion doit pouvoir effectuer la « rotation » au décollage, le CDG étant alors, en position cabrée, au droit des roues, qui se traduit par la « levée de roulette », càd de l’atterrisseur avant, sans difficultés.
La longueur des jambes est déterminée par l’encombrement des moteurs sous voilure, une « garde » de 500 mm minimum est nécessaire, notamment pour que les réacteurs n’avalent pas de graviers ou de débris de la piste. De plus, lors de la levée de roulette, ou lors de l’atterrissage cabré des avions à aile delta, la queue de l’appareil ne doit pas toucher le sol. Un angle de 13° cabré est en général exigé entre la roue principale en position amortisseur détendu et la queue de l’appareil.
La position de l’atterrisseur avant est déterminée pour qu’elle supporte environ 10% du poids de l’avion, soit 90% sur les atterrisseurs principaux. L’avion doit rester stable dans toutes les conditions de masse (à vide sans pilote, et en pleine charge) et de centrage (avant ou arrière). (Il est déjà arrivé que sur des avions militaires ou légers à vide, de lester ou d’arrimer l’avant de l’appareil afin qu’il ne bascule pas en arrière !).
Du fait de leur spécificité et de leur optimisation à l’avion concerné, le train d’atterrissage d’un avion ne peut jamais se monter sur un autre avion. D’une version d’un même appareil à l’autre, par exemple alourdi, le train d’atterrissage sera même différend, car renforcé pour résister aux nouvelles charges. Il n’y a pas de marge de sécurité, les atterrisseurs sont calculés pour les cas de charge « limite » et / ou « extrême ». La marge de sécurité provient uniquement par le fait qu’un avion n’atterrit quasiment jamais à ces cas limites ou extrêmes (heureusement pour les passagers que nous sommes).
– Contreventement – Relevage :
Les jambes sont maintenues en position basse verrouillées, grâce à un contreventement. Le contreventement sur un avion civil est généralement assuré par une contrefiche principale qui reprend les efforts latéraux ou longitudinaux, selon la géométrie, et par une contrefiche secondaire qui maintient la position alignée de la contrefiche principale. Un petit vérin assure en général la sécurité de l’alignement (en réalité un léger désalignement) de la contrefiche secondaire.
Sur les avions militaires et sur quelques avions civils, le contreventement est assuré par un vérin contrefiche, dont le verrouillage est assuré par des « griffes », procédé d’origine Messier. Le verrouillage peut dans ce cas être assuré train haut et train bas par deux griffes. Ce procédé Messier a montré son efficacité et sa fiabilité depuis longtemps.
Des vérins de manœuvre (souvent appelés vérins de relevage) actionnent les jambes pour les amener en position « train rentré » afin de diminuer la « traînée » en vol. Quelquefois la contrefiche fait également office de vérin de manœuvre, on parle alors de vérin-contrefiche. La pression des circuits hydrauliques est généralement de 210 bars. Elle tend à augmenter afin de diminuer la masse des composants hydrauliques, vérins, tuyauteries, raccords jusqu’à atteindre 350 bars sur les avions récents, civils ou militaires.
Les jambes sont retenues en position haute par un crochet, d’un boîtier d’accrochage. Ceci évite de maintenir la pression dans les vérins de manœuvre pendant le vol. Quelques avions ont une cinématique de contreventement qui permet le verrouillage à la fois en position basse et en position haute (très rare en dehors du système à griffes Messier).
– Les pneus :
Bien que ne faisant pas partie de la « fourniture » Messier, la taille des pneus est souvent déterminée par Messier. Il existe 3 types de pneus, les pneus basse pression, les pneus moyenne pression, et les pneus très haute pression.
La pression des pneus varie de 2 à 3 bars sur terrains non préparés, herbe ou terre battue, à plus de 20 bars sur porte-avions. La pression moyenne des pneus d’un avion civil sur piste béton est d’environ 10 bars. Les pneus sont gonflés à l’azote sec, gaz neutre qui préserve les roues de la corrosion.
Les pneus à carcasse radiale ont remplacé depuis longtemps les pneus dits à « plis croisés ». Les pneus sont « tubeless », c’est à dire sans chambre à air. L’industrie automobile a suivi.
Les pneus d’avions ont une déflection (aplatissement) de 33% sous charge statique, et peuvent talonner sur le rebord de roue lors d’un atterrissage à vitesse verticale limite. C’est pourquoi on a l’impression d’un pneu « dégonflé », par comparaison aux pneus d’automobiles qui n’ont une déflection que de 5 à 10 %.
Le nombre de pneus par atterrisseur dépend de la charge à supporter, et de l’encombrement dont on dispose en configuration « train haut ». Cet encombrement est en général très limité sur les avions militaires à ailes minces, ce qui entraîne des cinématiques de relevage plus ou moins compliquées, avec rotation de roue, et ou rétraction (raccourcissement de la longueur de la jambe au relevage).
Un pneu a une durée de vie qui peut aller de 10 atterrissages, sur certains avions militaires, à plus de 100 atterrissages sur avions civils.
Il est à noter que la masse des pneus est relativement importante vis-à-vis du reste de l’atterrisseur, surtout pour les pneus basse pression.
Les pneus peuvent être « rechapés » plusieurs fois pour reformer la bande de roulement qui s’use à chaque impact d’atterrissage. A noter que les systèmes de mise en rotation des roues avant l’impact n’ont jamais été montés sur les atterrisseurs, malgré les démarches de nombreux « inventeurs géniaux » qui pensaient améliorer la durée de vie des pneus et diminuer les efforts dus à la mise en rotation. En effet les exigences « fail safe » du train d’atterrissage font que de toute manière les pneus et le train d’atterrissage sont prévus pour atterrir sans cette mise en rotation préalable. Et que par conséquent tous ces dispositifs n’entraînent qu’un surpoids inutile et une complexité supplémentaire.
Roues et freins : les roues sont en général en alliage d’aluminium, et le diamètre des roues est fonction, pour les roues d’atterrisseurs principaux équipés de freins, de la taille du frein.
Les freins sont dimensionnés principalement par l’énergie à absorber, fonction de la masse avion et de la vitesse de freinage (qui joue au carré). Les freins peuvent être monodisque (freins d’hélicoptères) ou multidisques. Le puits de chaleur (les disques du stator et du rotor), après avoir été en cuivre, puis en acier avec des garnitures de freins en « Ferodo », sont maintenant en carbone-carbone, ce qui permet des gains de masse et de performances très importants. Messier-Bugatti est le leader mondial dans cette technologie.
Masse : Un train d’atterrissage représente environ 3% de la masse maxi de l’avion au décollage. Les jambes elles-mêmes ne représentent en moyenne que 1 à 2% de cette masse avion.
Dans le cas de cinématiques compliquées, ou d’atterrisseurs conçus pour des terrains non préparés avec des fonctionnalités supplémentaires, par exemple baraquage (abaissement) et / ou réhaussement, ce pourcentage peut monter jusqu ‘à 4,5%.
L’utilisation de matériaux légers en alliages d’aluminium, titane, et d’aciers à haute et très haute résistance, jusqu’à 2100 MPa permettent de réaliser des atterrisseurs performants du point de vue masse et résistance. Les matériaux composites ne représentent pas encore un pourcentage significatif sur le total du train d’atterrissage, en dehors des disques de frein en carbone où il est prédominant maintenant.
Les alliages de magnésium très utilisés dans les années 70, ont été progressivement abandonnés du fait de leur coût, et de leur susceptibilité à la corrosion et de leur inflammabilité. Ils sont même interdits sur les avions civils.
Le train d’atterrissage a un rôle ingrat : il doit se faire « oublier » pendant le vol, puisqu’il ne sert à rien pendant cette phase, et est même gênant. Par contre à l’atterrissage, il doit « encaisser » les chocs, et ensuite il doit permettre la manoeuvrabilité lors des évolutions au sol pour regagner les aires de stationnement pour le déchargement et le chargement des passagers et des bagages.
Les avions courts-courriers effectuent jusqu’à 10 atterrissages / décollages par jour, et les longs-courriers un seul. Il en résulte que les spectres de résistance à la fatigue sont très différents.
Le dimensionnement des pièces d’atterrisseurs a fait d’énormes progrès depuis les années 1970 grâce aux moyens informatiques, puisque l’on est passé d’un calcul classique de résistance des matériaux (à la règle à calculs), à un dimensionnement par éléments finis qui a permis de gagner de la masse, notamment pour les grosses pièces de structure compliquées, les caissons en particulier. Le calcul systématique en fatigue a été introduit à partir de ces années 1970.
La conception : a beaucoup évoluée depuis les années 1960, où l’étude des cinématiques était entièrement manuelle et l’œuvre des dessinateurs projeteurs, à l’aide de la géométrie descriptive.
La conception assistée par ordinateur utilisée aujourd’hui a permis notamment de se passer des maquettes bois et métal, qui étaient avant indispensables pour Messier et pour l’avionneur. Les rendus réalistes en 3D permettent de plus une visualisation des pièces exploitables pour les « non dessinateurs ». Les avionneurs intègrent ces données numériques dans leur avion numérique global.
Pression des circuits hydrauliques : la pression hydraulique est passée de 207 bars (3000 PSI) dans les années 1960 à 350 bars (5000 PSI) pour les avions les plus récents afin de gagner de la masse sur les composants hydrauliques ; vérins de manœuvre, tuyauteries…
Avion tout électrique : La tendance actuelle, afin de diminuer la masse des composants hydrauliques, et pour les avions militaires afin de diminuer la vulnérabilité, est de passer de l’énergie hydraulique à l’énergie électrique, pour la manœuvre des atterrisseurs et le freinage. Ceci évite notamment de longues tuyauteries hydrauliques qui courent tout le long de l’avion.
À compléter ….
Établi par GLEMAREC M. – le 18/03/2006